KR20020072034A - 램프가열방식의 매엽식 장치를 이용한 반도체소자의산화막 형성방법 - Google Patents

램프가열방식의 매엽식 장치를 이용한 반도체소자의산화막 형성방법 Download PDF

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Abstract

램프가열방식의 매엽식 장치를 이용한 반도체소자의 산화막 형성방법에 대해 개시되어있다. 그 방법은, 산화막을 형성하기 이전에 기판을 가열하는 램프업 공정을 수행하는 단계와, 램프업 공정을 수행한 후에 900℃ 내지 1300℃의 상기 기판의 온도에서 산화막을 형성하는 단계를 포함한다. 산화막 형성시 반응온도는 900℃ ~ 1300℃, 산소가스 유량은 3ℓ/분 ~ 50ℓ/분으로 함으로써 단위시간당 반도체 소자의 생산량을 증대시킬 수 있다.

Description

램프가열방식의 매엽식 장치를 이용한 반도체소자의 산화막 형성방법{Method of forming oxide layer of semiconductor device using single wafer type apparatus with lamp-heating type}
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 매엽식 장치를 이용한 반도체 소자의 산화막 형성방법에 관한 것이다.
반도체 소자를 제조하는 데 있어서, 산화막은 다양한 용도로 이용된다. 즉 두께에 따라서 패드산화막, 트렌치 구조에 사용되는 측벽산화막, 자기정렬용 산화막 및 필드(field)산화막 등을 형성할 수 있다. 한편, 일반적으로 산화막을 형성하는 방법은 확산로(Diffusion furnace)에서 산소(O2) 가스를 사용하여 고온에서 산화막을 형성한다. 산화막의 형성방법에 따라 산소와 수소(H2) 가스를 이용하여 습식산화하거나 산소 가스를 사용하여 건식산화막을 형성하며 최근에는 막질을 향상시키기 위하여 염화수소(HCl) 가스를 많이 사용하고 있다.
그런데, 통상적으로 사용되고 있는 배치(batch) 방식에 의한 산화막을 형성하는 방법은 더미(dummy) 기판이 필요하고 설비의 유지비가 많이 소요되는 단점이 있다. 또한, 대구경화의 추세에 따른 슬립(slip)이나 휨(warpage)에 취약하고, 특히 소량제품의 양산에는 매엽식에 비해 취약한 단점이 있다. 게다가, 최근 소자의 미세화에 따른 열축적(heat budget)이 얕은 접합(shallow junction)의 형성시에는,열스트레스(thermal stress)에 의한 기판의 손상이 커져서 크랙(crack)이나 결함이 발생할 가능성이 크다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 매엽식 산화막 형성방법이 도입되었다. 매엽식 산화막은 열축적이 거의 없는 산화막에 유용하며, 얇은 산화막공정을 수행하는 가열로(furnace)에서 형성되는 산화막의 대용으로 사용이 가능하다. 또한, 트렌치 절연분리에서 측벽 산화막 공정시, 측벽 산화막의 두께를 얇게 하면서 단부(edge)부위를 완만하게 하여 단부에 전계의 집중이 줄어들어 이로인해 누설전류(leakage current)의 발생을 최소화할 수 있다.
매엽식 산화막의 형성방식으로는 서셉터(susceptor)의 가열원으로서 적외선 램프(lamp)를 사용하는 램프가열이 유용하다. 왜냐하면, 램프가열방식은 서셉터의 승온 및 감온이 빠르고, 압력조절에 걸리는 시간이 매우 짧다는 이점을 가지고 있다.
그런데, 상기한 장점에도 불구하고 매엽식에 의한 산화막을 형성하는 최적의 조건이 마련되어있지 않다. 더욱이, 생산성의 향상에 필수적인 요소인 산화막 형성시 반응온도, 반응시간 및 반응가스량에 대한 최적의 공정조건이 미비하다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 램프가열방식을 이용하여 반도체 소자의 산화막 형성시 반응온도, 반응시간 및 반응가스량에 대한 최적의 공정조건을 설정하여 단위시간당 생산량을 증대시킬 수 있는 매엽식 설비를 이용한 반도체 소자의 산화막 형성방법을 제공하는 데 있다.
도1은 일반적인 램프가열방식의 매엽식 산화막 형성장치를 도시한 개략도이다.
도2는 본 발명에 의한 산화막 형성방법에 있어서, 반응온도와 도입된 가스의 유량에 따른 산화막의 형성시 공정조건을 도시한 도표이다.
도3은 본 발명에 의한 산화막 형성방법에 있어서, 반응시간에 따른 산화막의 성장속도와의 관계를 도시한 도표이다.
도4는 본 발명에 의한 산화막 형성방법에 있어서, 산소가스의 유량과 산화막의 성장속도와의 관계를 도시한 도표이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 ; 원료가스 주입관 12 ; 비활성가스 주입관
14, 16, 18, 20 ; 가스흐름 제어밸브
22 ; 우회관 24 ; 샤워헤드
26 ; 챔버 28 ; 서셉터
30 ; 램프유니트 32 ; 압력조절기
34 ; 메인밸브 36 ; 펌프
38 ; 배기관
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 산소 가스를 이용하여 램프가열방식으로 산화막을 형성하는 방법에 있어서, 상기 산화막을 형성하기 이전에 기판을 가열하는 램프업 공정을 수행하는 단계와, 상기 램프업 공정을 수행한 후에 900℃ 내지 1300℃의 상기 기판의 온도에서 산화막을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의한 산소 가스를 이용하여 램프가열방식으로 산화막을 형성하는 방법에 있어서, 상기 산화막을 형성하는 단계 이후에 상기 기판을 냉각시키는 램프다운 공정을 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 램프업 공정의 온도상승율과 상기 램프다운 공정에서의 온도하강율이 20℃/초 내지 50℃/초인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 산소 가스를 이용하여 램프가열방식으로 산화막을 형성하는 방법에 있어서, 상기 램프업 공정부터 상기 램프다운 공정에 사용되는 상기 산소 가스가 3 ℓ/분 내지 50 ℓ/분를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 산소 가스의 사용시 질소를 이용하여 희석화를 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 산소 가스를 이용하여 램프가열방식으로 산화막을 형성하는 방법에 있어서, 상기 산화막을 상압에서 형성하는 것이 바람직하며, 상기 산화막의 두께는 50Å 내지 300Å일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도1은 일반적인 램프가열방식의 매엽식 산화막 형성장치를 도시한 개략도이다.
도1을 참조하면, 램프가열방식의 매엽식 산화막 형성장치는, 산화막을 형성하기 위한 산소가스를 공급하는 원료가스 주입관(10)과, 산소가스와 반응하지 않는 헬륨(He), 아르곤(Ar), 또는 질소(N2) 등의 비활성가스를 주입하기 위한 비활성가스 주입관(12)과, 원료가스를 우회하기 위한 우회관(22)과, 산소가스에 의해 산화막의 형성이 이루어지는 챔버(26)와, 산소가스 및 비활성가스를 챔버(26) 내로 도입시키는 샤워헤드(24)와, 산화막이 증착될 기판이 장착되는 서셉터(28)와, 서셉터(28)와 기판을 가열하기 위한 가열원으로서, 다수개의 적외선 램프가 배열되어 있는 램프 유니트(lamp unit)(30)와, 상기 챔버(26) 내의 압력을 조절하기 위한 압력조절기(32)와, 챔버(26) 내의 가스를 외부로 배출하기 위한 펌프(36)와, 챔버(26) 내의 가스를 배기 시키기 위한 배기관(38)을 기본구성으로 한다. 또한, 참조부호 14, 16, 18 및 20은 각 가스의 흐름을 제어하기 위한 밸브(valve)들, 참조부호 36은 메인 밸브(main valve)를 나타낸다.
도2는 본 발명의 실시예에 의한 산화막 형성방법에 있어서, 반응온도와 도입된 가스의 유량에 따른 산화막의 형성조건을 도시한 도표이다.
먼저, 챔버(26)가 개방되어 기판이 로딩되면 램프유니트(30)에 의해 서셉터(28)의 온도가 상승하고 상기 온도가 기판에 전달된다. 다음에, 기판의 온도가 약 500℃이 되도록 유지하면서 질소가스를 1ℓ/분 ~ 10ℓ/분의 유량으로 흘려준다. 이어서, 비활성가스(주로 N2)를 이용하여 챔버(26) 내의 압력을 산화막 형성을 위한 압력으로 안정화시키면서 기판의 온도를 약 540℃까지 상승시킨다.
기판이 안정화되면, 산화막을 형성하기 위하여 기판의 온도를 상승시키면서 산소가스를 주입한다. 이때, 기판의 온도가 900℃ 이하에서는 산화막의 성장속도가 매우 작다. 또한, 매엽식에서는 산화막을 형성하는 시간을 길게 할 수 없기 때문에 900℃ 이하에서 산화막을 형성하는 것은 바람직하지 않다. 여기서, 기판의 온도를 상승시키는 공정을 램프업(lamp up) 공정이라 한다. 램프업 공정에서의 20℃/초 ~ 50℃/초의 온도상승율이 바람직하다. 온도상승율은 산화막 형성에 있어서 기판의 온도, 기판의 안정성 등을 고려하여 결정할 수 있다. 또한, 램프업 공정에서 가장 온도상승율이 큰 공정은 제2 램프업 공정이고, 상기 제2 램프업 공정의 전후에 제1 램프업 공정 및 제3 램프업 공정이 있다.
램프업 공정은 질소 분위기에서 수행한다. 이때, 주입되는 질소가스의 유량은 3ℓ/분 ~ 50ℓ/분이 바람직하다. 또한, 후속공정에서 균일한 산화막을 얻기 위하여 산소가스를 넣어준다. 이때, 주입되는 산소가스의 유량은 3ℓ/분 ~ 50ℓ/분이 바람직하다.
램프업 공정에 의해 기판이 가열되면 산화막 형성공정을 수행한다. 산화막 형성시 공정조건은 다음과 같다. 반응온도는 900℃ ~ 1300℃, 산소가스 유량은 3ℓ/분 ~ 50ℓ/분, 반응압력은 상압 및 희석화를 위한 질소가스의 유량은 3ℓ/분 ~ 50ℓ/분이다. 질소가스로 희석화하는 목적은 기판 상에 균일한 산화막이 형성되기 위함이다. 본 발명의 실시예에 의해 트렌치 소자분리에서의 측벽산화막, 국부산화막 소자분리에서의 캡핑막(capping layer) 산화막, 국부산화막 소자분리에서의 자기정렬형(self alignment contact; SAC) 산화막 및 산화막/질화막 복합막으로 이루어진 유전체로서의 산화막을 형성할 수 있다.
산화막의 형성이 끝나면, 기판의 온도를 감소시키는 램프다운 공정을 수행한다. 램프다운 공정은 질소 분위기에서 수행한다. 이때, 주입되는 질소가스의 유량은 3ℓ/분 ~ 50ℓ/분이 바람직하다. 또한, 후속공정에서 균일한 산화막을 얻기 위하여 산소가스를 넣어준다. 이때, 주입되는 산소가스의 유량은 3ℓ/분 ~ 50ℓ/분이 바람직하다. 또한, 온도감소율은 20℃/초 ~ 50℃/초이 바람직하다.
램프다운 공정이 끝나면, 챔버(26)를 질소가스로 정화(purge)하고 챔버(26) 및 원료가스 주입관(10)에 잔류하고 있는 산소가스를 제거한다.
도3은 본 발명의 실시예에 의한 산화막 형성방법에 있어서, 반응시간에 따른 산화막의 성장속도와의 관계를 도시한 도표이다.
도3을 참조하면, 온도별 성장속도는 기판의 온도가 900℃ 이상인 것이 바람직하다. 매엽식의 경우에는 생산성을 고려하여 통상 4분이내에 한 장의 기판에 산화막을 형성하여야 한다. 그런데, 기판의 온도가 850℃인 경우, 시간이 경과됨에 따라 산화막이 거의 성장되지 않는다. 또한, 기판의 온도가 1300℃ 이상이면 기판에 형성된 산화막의 균일성이 저하되므로 바람직하지 않다.
도4는 본 발명의 실시예에 의한 산화막 형성방법에 있어서, 반응온도는 1100℃, 반응시간은 220초 및 상압의 조건에서 실시한 산소가스의 유량과 산화막의 성장속도와의 관계를 도시한 도표이다.
도4를 참조하면, 산소가스의 유량이 3ℓ/분 이상에서는 산소가스의 유량에 관계없이 안정된 산화막 성장속도를 얻을 수 있다. 3ℓ/분 이하에서는 산화막 성장속도가 느리고 산소가스의 유량의 변화에 따라 산화막이 안정되게 성장되지 않는다.
이상 본 발명을 상세히 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고 당업자에 의해 많은 변형 및 개량이 가능하다.
상술한 본 발명에 따른 램프가열방식의 매엽식 장치를 이용한 반도체소자의 산화막 형성방법은, 산화막 형성시 반응온도는 900℃ ~ 1300℃, 산소가스 유량은 3ℓ/분 ~ 50ℓ/분으로 함으로써 단위시간당 반도체 소자의 생산량을 증대시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. 산소 가스를 이용하여 램프가열방식으로 산화막을 형성하는 방법에 있어서,
    상기 산화막을 형성하기 이전에 기판을 가열하는 램프업 공정을 수행하는 단계;
    상기 램프업 공정을 수행한 후에 900℃ 내지 1300℃의 상기 기판의 온도에서 산화막을 형성하는 단계를 포함하는 매엽식 장치를 이용한 반도체 소자의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산화막을 형성하는 단계 이후에 상기 기판을 냉각시키는 램프다운 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 매엽식 장치를 이용한 반도체 소자의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 램프업 공정의 온도상승율과 상기 램프다운 공정에서의 온도하강율이 20℃/초 내지 50℃/초인 것을 특징으로 하는 매엽식 장치를 이용한 반도체 소자의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 램프업 공정부터 상기 램프다운 공정에 사용되는 상기 산소 가스가 3 ℓ/분 내지 50 ℓ/분를 사용하는 것을 특징으로 하는 매엽식 장치를 이용한 반도체 소자의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산소 가스의 사용시 질소를 이용하여 희석화를 수행하는 것을 특징으로 하는 매엽식 장치를 이용한 반도체 소자의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산화막을 상압에서 형성하는 것을 특징으로 하는 매엽식 장치를 이용한 반도체 소자의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 산화막의 두께는 50Å 내지 300Å인 것을 특징으로 하는 매엽식 장치를 이용한 반도체 소자의 제조방법.
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